ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2004, том 44, № 6, с. 762-770
УДК 550.383
ПЕРЕСТАНОВОЧНАЯ НЕУСТОЙЧИВОСТЬ, СВЯЗАННАЯ С АЗИМУТАЛЬНЫМ ГРАДИЕНТОМ ДАВЛЕНИЯ, КАК ВОЗМОЖНЫЙ МЕХАНИЗМ СУББУРЕВОЙ АКТИВИЗАЦИИ
© 2004 г. И. В. Головчанская, Ю. П. Мальцев, Т. А. Корнилова
Полярный геофизический институт КНЦ РАН, Апатиты (Мурманская обл.) e-mail: golovchan@pgi.kolasc.net.ru Поступила в редакцию 27.05.2003 г. После доработки 28.11.2003 г.
В настоящей работе численно моделируется нарастание перестановочной неустойчивости, связанной с азимутальным градиентом давления магнитосферной плазмы, в области очага зарождающейся суббури и выясняется, может ли данная неустойчивость на стадии сильной нелинейности тригги-ровать суббуревую активизацию. Сделана попытка воспроизвести основные особенности динамики "брейкаповой" дуги при переходе к взрывной фазе суббури.
1. ВВЕДЕНИЕ
Идея о возможности объяснения перехода к взрывной фазе суббури раскачкой неустойчивости в ближнем к Земле плазменном слое не нова [Roux et al., 1991; Ohtani, Tamao, 1993]. Уже несколько десятилетий она является альтернативой образованию нейтральной линии и развитию процесса пересоединения в ближнем хвосте. В качестве кандидатов на возбуждение суббури часто рассматриваются модификации баллонной неустойчивости. Предлагаемая нами в качестве триггера взрывной фазы суббури модификация перестановочной неустойчивости, связанная с азимутальным градиентом давления магнитосферной плазмы (далее сокращенно АГДПН), также относится к этому типу. Физика неустойчивости состоит в том, что в открытой системе, каковой в общем случае является магнитосфера, градиенты плазменного давления Vp и объема магнитной силовой трубки с единичным потоком W не являются строго антипараллельными. Электрическое поле конвекции приводит к тому, что вектор Vp, помимо радиальной компоненты, направленной к Земле, имеет небольшую азимутальную составляющую, так что изоконтуры объема У и pVY оказываются сдвинутыми на угол а, равный нескольким градусам или первым десяткам градусов. Этот сдвиг, по общепринятому мнению, является причиной продольных токов зоны 2 и, частично, токов зоны 1 [Vasyliunas, 1970; Тверской, 1982].
Как впервые было показано Волковым и Мальцевым [1986], плазменный слой в этом случае неустойчив относительно АГДПН, причем наиболее быстро нарастают перестановочные фила-менты, вытянутые под углом а/2 к току хвоста, а, следовательно, имеющие топологию, близкую к
азимутальной, согласующуюся с топологией дискретных авроральных дуг (рис. 1). Эта особенность является несомненным преимуществом АГДПН по сравнению с другими неустойчивостя-ми, привлекаемыми для объяснения перехода к брейкапу в конце предварительной фазы, поскольку позволяет естественным образом включить формирование и динамику брейкаповой дуги в общую концепцию суббури.
Сценарии развития брейкапа в авроральных дугах достаточно разнообразны. Пример возможной эволюции брейкаповой дуги приведен на рис. 2,
pV Y = const
Рис. 1. Сдвиг между изолиниями V (сплошные линии) и pVУ (пунктирные линии), приводящий к втекающему в ионосферу продольному току. Конфигурация неустойчива относительно АГДПН. Направление преимущественного нарастания перестановочного фила-мента (дискретной дуги) показано жирной линией.
N
W
-Н ПС
Рис. 2. Временная эволюция предполуночной брейкаповой дуги на экваториальной кромке двойного овала во время суббуревой активизации 22 января 1999 г. по ТВ-данным обе. Лопарская.
представляющем фрагмент развития предполуночной брейкаповой дуги на экваториальной кромке двойного овала во время суббуревой активизации 22 января 1999 г. по ТВ-данным обс. Лопарская. Ориентация телевизионных кадров приведена на правом кадре: север вверху, запад справа, что соответствует виду снизу (т.е. против геомагнитного поля). Мировое время UT показано на каждом кадре в правом верхнем углу (местное магнитное время равно UT + 2 ч 37 мин). Суббуревая активизация, показанная на рис. 2, развивалась на экваториальной части сформировавшегося ранее двойного овала. При этом самая полярная из дуг, составляющих экваториальную часть овала, уярчилась и в течение двух минут образовала выпуклость (bulge), расширяющуюся к полюсу и в обе стороны по азимуту. Интересно, что похожую, но менее ярко выраженную эволюцию, заключающуюся в образовании surge'a, иногда обнаруживают и спокойные авроральные дуги [Oguti, 1975], а также дуги в период стационарной магнитосферной конвекции [Yahnin et al., 1994]. По-видимому, surge, как и bulge, - это скорее атрибуты дуги, чем суббури. Суббуря же просто сопровождает, но не является причиной или необходимым условием такого рода деформации. Очевидно также, что объяснить искажение формы авроральной дуги, подобное приведенному на рис. 2, в рамках нашего подхода можно, лишь рассматривая нелинейную стадию развития АГДПн.
2. ЗАДАНИЕ ФОНОВОЙ КОНФИГУРАЦИИ
Поскольку критерием возможности, а также интенсивности нарастания АГДПН в той или иной области магнитосферы является величина фонового продольного тока j, оценки его плотности на предварительной фазе суббури имеют для нас первостепенное значение.
Согласно классической работе [Iijima, Potemra, 1978], средняя величина j в предполуночном секторе MLT составляет ~0.5 х 10-6 А/м2 в спокойных условиях и возрастает примерно до 1.2 х 10-6 А/м2 с ростом возмущенности (здесь и далее величины
продольного тока приведены к уровню ионосферы). Близкие оценки ^ приводятся в [й|1та й а1., 1993; Watanabe, Прта, 1993]. В работе [И]1та й а1., 1993] указывается также на появление во время предварительной фазы радиальных хвостовых токов, текущих к Земле в позднем вечернем и предполуночном секторе МЬТ и от Земли в полуночном и утреннем секторе, интенсивность которых возрастает с приближением к брейкапу. Это является косвенным подтверждением наличия азимутальных градиентов давления в очаге будущей суббури.
Заметим, что значения продольного тока ~ 1.2 х х 10-6 А/м2, наблюдаемые в возмущенных условиях, по-видимому, близки к максимальным для продольных токов, генерируемых в магнитосфере за счет появления азимутальной составляющей градиента давления. Примерно в два раза большие плотности продольных токов зоны 1 на дневной стороне связаны с тем, что, помимо механизма Василюнаса-Тверского, в этой области существует другой (основной) источник их генерации.
Выясним, как соотносятся величины у'ц в предполуночном секторе МЬТ со значениями других параметров, характеризующих очаг будущей суббури, используя формулу Василюнаса-Тверского:
= в||[УУ х Ур], (1)
где ец - единичный вектор, направленный вдоль магнитного поля. Оценки Ур на предварительной фазе в области геосинхронной орбиты и несколько далее свидетельствуют о больших градиентах давления, формирующихся в ближнем хвосте магнитосферы в этот период (обзор оценок дан в [ОМат, Татао, 1993]). Так, характерный радиальный масштаб уменьшения давления в е раз с ростом расстояния от Земли не превышает 1 ЯЕ (величина кр, обратная этому масштабу, меняется от
1 до 5 яЕ). В работе [ОМат, Татао, 1993] было проанализировано, не могут ли столь большие градиенты давления дестабилизировать стандартную перестановочную неустойчивость (полный МгД-аналог неустойчивости Релея-Тейлора)
il ^ 0.5-~ 0.40.3 0.20.1
V
Т
pV Y
j|i
1 0 ^_ц_L,_u_i . i . i_,j__
0.90.80.70.6-
1-1-Г—III—T-1-г
—1.02
1.02
—1.05
1.05
—1.09
1.09
"1-1-1-1-1-1-1-1-Г
I I I I
1-п I—-1——Т'
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
XXX
Рис. 3. Изоконтуры объема Vмагнитных силовых трубок, pV^ и продольных токову'ц в исходной, неустойчивой относительно АГДПН, фоновой конфигурации.
и таким образом триггировать взрывную фазу суббури. Модификация перестановочной неустойчивости, связанная с азимутальными градиентами давления (АГДПН), авторами [Ohtani, Tamao, 1993] не рассматривалась. Оказалось, что дестабилизация стандартной перестановочной неустойчивости могла иметь место лишь для 6 из 22 рассмотренных суббурь, а именно для развивающихся при относительно малых значениях плазменного параметра в, не превышающих единицу (для остальных 16 суббурь величина в менялась от 2 до 5). Такой результат объясняется тем, что большие значения кр, необходимые для выполнения критерия стандартной перестановочной неустойчивости [Ohtani, Tamao, 1993]
Kp — Kb — Kc > 0
(2)
где кь и кс - величины, обратные характерному масштабу изменения магнитного поля и радиусу кривизны, соответственно, несовместимы при больших в с условием баланса сил в магнитосфере
(в/2)Кр + к - кс = 0. (3)
Заметим, что в отличие от стандартной перестановочной неустойчивости, АГДПН, предлагаемая нами в качестве возможного триггера суббури, не требует слишком больших радиальных градиентов давления и поэтому может развиваться как при малых, так и при больших значениях параметра в [Иванов и др., 1992; Maltsev, Mingalev, 2000]. Кроме того, авроральные структуры, генерируемые стандартной перестановочной неустойчивостью, должны быть вытянуты в направлении север-юг, тогда как брейкаповая дуга, как известно, имеет ориентацию, близкую к азимутальной.
Градиент объема магнитной силовой трубки УУ, так же, как и величина кь, уменьшается с ростом возмущенности. В области геостационарной орбиты характерный масштаб возрастания в хвост объема V в е раз можно оценить как ~5 ЯЕ.
Из формулы (1) следует, что согласовать приведенные оценки Vp и VV с наблюдаемыми на предварительной фазе значениями продольных токов можно лишь при малых углах (порядка 6°) отклонения вектора Vp от строгой радиальности.
В настоящей работе численное моделирование развития АГДПН выполнялось в безразмерных переменных, но привязка осуществлялась к области магнитосферы несколько далее геосинхронной орбиты (xGSM менялось от -7 RE до -9 RE) в предполуночном MLT секторе (yGSM менялось от 0 до + 2 Re). Точка (-9 RE, 0) являлась началом координат. Вычислительные возможности не позволили нам на данном этапе учитывать изменение объема магнитных силовых трубок при нарастании перестановочного возмущения, то есть моделирование выполнялось для не слишком больших значений плазменного па
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.